盾構(gòu)技術(shù)的工程應(yīng)用

鄭愛武　陜娟

【摘 要】使用盾構(gòu)技術(shù)進(jìn)行隧洞施工具有自動化程度高、節(jié)省人力、施工速度快、一次成洞、不受氣候影響、開挖時(shí)可控制地面沉降、減少對地面建筑物的影響和在水下開挖時(shí)不影響水面交通等特點(diǎn)，中鐵某公司在西安地鐵施工中，用盾構(gòu)技術(shù)施工，不僅保證了工期，而且對周邊建筑物和周圍交通影響小，且有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)技術(shù)；掘進(jìn)；土壓平衡；泥餅

【Abstract】Shield technology can be used in tunnel construction which has a lot of advantages： such as the high degree of automation， the saving manpower， the fast construction speed， making a hole for one time， not affected by climate， the controllable ground subsidence in excavation， the less impact on the buildings above ground， no influence on the traffic when digging under the water，etc. A China Railway Company not only ensures the construction schedule， has less impact on the surrounding buildings and traffics， but also receives good economic benefits by applying shield technology in Xi'an metro construction.

【Key words】Shield technology；Tunneling；EPB （earth pressure balance）；Mud cake

1. 工程概況

西安市地鐵五號線一期工程（和平村～紡織城火車站）土建施工項(xiàng)目D5TJSG-2標(biāo)段包含一站兩區(qū)間，即一期工程起點(diǎn)～和平村站區(qū)間、和平村站、和平村站～阿房宮站區(qū)間。其中平村站～阿房宮站區(qū)間位于西安市昆明路與經(jīng)二十五路十字路口處及昆明路與富源二路丁字路口之間，整個(gè)區(qū)間隧道沿昆明路下方偏南布設(shè)。區(qū)間隧道起訖里程為YDK21+851.921～YDK22+513.142，全長661.221m；主要采用盾構(gòu)法施工。施工平面圖圖見圖1

2. 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

（1）和平村站～阿房宮站區(qū)間場地地貌單元屬皂河一級階地。地形總體東高西低，地面高程約397.58～399.81m，最大高差2.23m。在深度50.0m范圍內(nèi)的地層主要為第四系堆積物，即由全新統(tǒng)人工填土（Q4ml），沖洪積（Q4al+pl）黃土狀土、中砂、粉質(zhì)粘土，上更新統(tǒng)沖積（Q3al）粉質(zhì)黏土、粗砂及中更新統(tǒng)沖積（Q2al）粉質(zhì)黏土和中砂等組成。地下水水位埋深13.9～17.1m，水位高程382.2～383.88m。覆蓋層為第四系松散層，含水層主要為弱透水的黏性土夾砂層透鏡體，潛水含水層厚度大于50m。

（2）區(qū)間地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性，在干濕交替環(huán)境下對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微弱腐蝕性，場地水位以上土質(zhì)對混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。根據(jù)地質(zhì)勘測報(bào)告，本標(biāo)段無地裂縫通過。

3. 技術(shù)措施、技術(shù)參數(shù)的選取

擬建工程場地地震動峰值加速度為0.20g，按一般中硬場地考慮時(shí)，其特征周期為0.35s。

黏性土的滲透系數(shù)采用3～8m/d，砂類土的滲透系數(shù)采用20～25m/d，里程右CK22+135以西砂層較薄段綜合滲透系數(shù)選用8m/d，里程右CK22+135以東砂層較厚段綜合滲透系數(shù)選用12m/d。和平村站和阿房宮站的抗浮水位均為為394.0m，和平村站至阿房宮站區(qū)間的抗浮水位可按縱斷面及地下水位變化趨勢內(nèi)插。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)和后方臺車的長度以及管片與土體之間的摩擦力足以支持盾構(gòu)機(jī)的正常掘進(jìn)的推力要求，本標(biāo)段初期掘進(jìn)長度設(shè)定為100m。

4. 總體施工方案

（1）綜合考慮地層情況，周邊環(huán)境、施工場地、造價(jià)、進(jìn)度等因素，擬采用土壓平衡盾構(gòu)技術(shù)。采用一臺盾構(gòu)機(jī)沿右線盾構(gòu)，先由和平村站東端頭始發(fā)，在阿芳宮站西側(cè)接收吊出運(yùn)至和平村站東端頭組裝再次始發(fā)，施工左線至阿房宮站西端頭接收后吊出。

（2）盾構(gòu)區(qū)間施工工序：后配套軌道鋪設(shè)→吊裝后配套→始發(fā)托架安裝→盾構(gòu)主機(jī)吊裝→反力架安裝→盾構(gòu)組裝、調(diào)試→破除洞門→始發(fā)掘進(jìn)→拼裝管片→同步注漿→二次注漿→成型隧道驗(yàn)收。

5. 盾構(gòu)施工

5.1 盾構(gòu)機(jī)始發(fā)與初期掘進(jìn)。

盾構(gòu)始發(fā)嚴(yán)格按照流程進(jìn)行。初期掘進(jìn)為盾構(gòu)施工過程中嚴(yán)格控制推進(jìn)速度20～30mm/min，土倉壓力：0.06～0.11Mpa，注漿壓力：0.15～0.2Mpa。

5.2 盾構(gòu)掘進(jìn)操作工序流程和控制程序。

通過初始掘進(jìn)和初期掘進(jìn)段的地基變形監(jiān)測的結(jié)果確定在不同地質(zhì)地層中盾構(gòu)推進(jìn)的各項(xiàng)參數(shù)的調(diào)節(jié)控制方法。測定和統(tǒng)計(jì)不同地層條件下推力、扭矩的大??；盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的控制特點(diǎn)；同步注漿的參數(shù)和漿液配合比；同步注漿中容易出現(xiàn)的問題及解決方法；各種刀具的適應(yīng)性等。選定相應(yīng)的施工管理指標(biāo)。

5.3 掘進(jìn)工況模式的分類和特點(diǎn)。

盾構(gòu)機(jī)對隧道工程的適應(yīng)性除了表現(xiàn)在刀盤與刀具的適應(yīng)性、碴土的流動性和止水性之外，掘進(jìn)模式的適應(yīng)性也是非常關(guān)鍵的。為了獲得理想的掘進(jìn)效果、保證開挖面穩(wěn)定、有效控制地表沉降及確保地面建筑物安全，必須根據(jù)不同的地質(zhì)條件選擇不同的掘進(jìn)工況。本標(biāo)段全線采用土壓平衡模式。

5.3.1 土壓平衡工況的實(shí)現(xiàn)。

土壓平衡工況掘進(jìn)，是讓切削下來的土體充滿土倉形成土壓，利用這種土壓與作業(yè)面的水土壓平衡。同時(shí)利用螺旋輸送機(jī)進(jìn)行與盾構(gòu)推進(jìn)速度相匹配的排土作業(yè)，掘進(jìn)過程中始終維持開挖量與排土量的平衡，以保持正面土體穩(wěn)定。

5.3.2 土壓平衡模式技術(shù)措施。

（1）采用以齒刀、刮刀、魚尾刀為主切削土層，以低轉(zhuǎn)速、大扭矩推進(jìn)。土倉內(nèi)土壓力值略大于靜水壓力和土壓力之和，并在掘進(jìn)中不斷調(diào)整優(yōu)化。

（2）土倉壓力通過采取“設(shè)定掘進(jìn)速度、調(diào)整排土量”或“設(shè)定排土量、調(diào)整掘進(jìn)速度”兩種方法來建立，維持開挖量與排土量的平衡，以使土倉內(nèi)的壓力平衡。掘進(jìn)速度主要通過調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)力、刀盤轉(zhuǎn)速來控制；排土量則主要通過調(diào)整螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)。在實(shí)際掘進(jìn)施工中，根據(jù)地質(zhì)條件、排出的碴土狀態(tài)，以及盾構(gòu)機(jī)的各項(xiàng)工作狀態(tài)參數(shù)等動態(tài)地調(diào)整優(yōu)化。

5.3.3 土壓平衡模式下土壓力控制。

土壓力控制采取以下兩種操作模式：控制排土量的“排土控制”模式。即通過土壓傳感器反饋，改變螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速控制排土量，以維持開挖面土壓穩(wěn)定的控制模式。此時(shí)盾構(gòu)的推進(jìn)速度人工事先給定?？刂七M(jìn)土量的“推進(jìn)控制”模式。即通過土壓傳感器反饋，控制盾構(gòu)千斤頂?shù)耐七M(jìn)速度，以維持開挖面土壓穩(wěn)定的控制模式。此時(shí)螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速人工事先給定。

5.3.4 塑流化控制。

當(dāng)切削土為粘結(jié)性泥土?xí)r，碴土僅通過刀盤切削攪拌和螺旋輸送機(jī)傳輸，具有較好的塑流性，能滿足土壓平衡盾構(gòu)的工作要求。而當(dāng)切削土為含砂量超過一定限度的砂和砂粘土?xí)r，單靠刀盤攪拌和螺旋輸送機(jī)傳輸，很難達(dá)到應(yīng)有的塑流化狀態(tài)，這時(shí)，一方面會造成出土困難，另一方面土倉內(nèi)壓力波動加劇，這將直接影響開挖面土體的穩(wěn)定?？赏ㄟ^設(shè)在刀盤上的噴口向前方土體注入泡沫劑或膨潤土漿的辦法改良碴土。泡沫劑不僅具有改良碴土的效果，還具備減小刀具與土體間摩擦力的作用，能有效提高掘進(jìn)效率。推進(jìn)時(shí)，刀盤扭矩是隨泥土塑流化狀態(tài)以及盾構(gòu)推力的變化而變化，所以盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，通過泥土塑流化控制，把刀盤扭矩和盾構(gòu)推力始終控制在設(shè)定的基準(zhǔn)值以下進(jìn)行正常的操作控制。

5.3.5 土壓平衡模式下保持掘進(jìn)面穩(wěn)定的措施。

（1）通過壓力傳感器來控制壓力。掘進(jìn)過程中要始終關(guān)注土倉壓力傳感器，當(dāng)其顯示比設(shè)定值大時(shí)，調(diào)高螺旋輸送機(jī)出土速度，降低土倉內(nèi)壓力，相反則調(diào)低出土速度。

（2）土壓力的判定與控制是一個(gè)多因素綜合兼顧的過程，不僅是出土速度，還要對泡沫劑（膨潤土）的使用、維持穩(wěn)定土壓所需要的推力、刀盤扭矩的變化情況等因素進(jìn)行綜合考慮。盾構(gòu)的推力在最大設(shè)計(jì)推力的40%左右為正常。

5.3.6 盾構(gòu)掘進(jìn)方向控制和調(diào)整。

由于地層軟硬不均、隧道曲線和坡度變化以及操作等因素的影響，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)不可能完全按照設(shè)計(jì)的隧道軸線前進(jìn)，而會產(chǎn)生一定的偏差。當(dāng)這種偏差不能及時(shí)糾正，持續(xù)增加到超過一定限界時(shí)就會使隧道襯砌侵限。表現(xiàn)為管片拼裝困難，盾尾間隙不均勻，單側(cè)盾尾間隙變小乃至消失，管片局部受力惡化，常會造成管片裂縫或擠壓崩碎等問題。因此，盾構(gòu)施工中采取有效技術(shù)措施控制掘進(jìn)方向，及時(shí)有效糾正掘進(jìn)偏差。

5.3.6.1 盾構(gòu)掘進(jìn)方向控制。

（1）根據(jù)線路條件所做的分段軸線擬合控制計(jì)劃、導(dǎo)向系統(tǒng)反映的盾構(gòu)姿態(tài)的信息，結(jié)合隧道地層情況，通過分區(qū)操作盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)油缸來控制掘進(jìn)方向。

（2）在上坡段掘進(jìn)時(shí)，適當(dāng)增大盾構(gòu)機(jī)下部油缸的推力和速度；在下坡段掘進(jìn)時(shí)，適當(dāng)增大盾構(gòu)機(jī)上部油缸的推力和速度；在左轉(zhuǎn)彎曲線段掘進(jìn)時(shí)，適當(dāng)增大盾構(gòu)機(jī)右部油缸的推力和速度；在右轉(zhuǎn)彎曲線段掘進(jìn)時(shí)，適當(dāng)增大盾構(gòu)機(jī)左部油缸的推力和速度；在直線段掘進(jìn)時(shí)，盡量使所有的推力和速度保持一致。

（3）在均勻的地質(zhì)條件時(shí)，保持所有油缸推力和速度一致，在軟硬不均的地層掘進(jìn)時(shí)，根據(jù)不同地層在斷面的具體分布情況，遵循硬地層一側(cè)推進(jìn)油缸的推力適當(dāng)加大，軟地層一側(cè)推進(jìn)油缸的推力適當(dāng)減小的原則。

5.3.6.2 盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)調(diào)整與糾偏。

在實(shí)際施工中，由于地質(zhì)突變等原因盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)方向可能會偏離設(shè)計(jì)軸線并超過管理警戒值；在穩(wěn)定地層中掘進(jìn)，因地層提供的滾動阻力小，可能會產(chǎn)生盾體滾動偏差；在線路變坡段掘進(jìn)，有可能產(chǎn)生較大的偏差。所以施工過程中采用分區(qū)操作盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)油缸調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，及時(shí)糾正偏差，將盾構(gòu)機(jī)的方向控制調(diào)整到符合要求的范圍。變坡段施工時(shí)，可利用盾構(gòu)機(jī)的超挖刀進(jìn)行局部超挖來糾偏。必要時(shí)可利用盾構(gòu)機(jī)的中盾和尾盾的鉸接油缸進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)調(diào)整，糾正偏差。

5.3.7 掘進(jìn)中的碴土改良與防泥餅措施。

在粘性大及復(fù)雜地層的盾構(gòu)施工中，根據(jù)地層條件適當(dāng)注入添加劑，確保碴土的流動性和止水性，同時(shí)要慎重進(jìn)行土倉壓力和排土量管理。

（1）碴土改良的主要技術(shù)措施。

根據(jù)本標(biāo)段的地質(zhì)條件和盾構(gòu)施工的經(jīng)驗(yàn)，在含水地層采用土壓平衡模式掘進(jìn)時(shí)，擬采取向刀盤面、土倉內(nèi)和螺旋輸送機(jī)內(nèi)注入泡沫或膨潤土，并增加對螺旋輸送機(jī)內(nèi)注入的泡沫量，以利于螺旋輸送機(jī)形成土塞效應(yīng)，防止噴涌。在砂性土地層中掘進(jìn)時(shí)，擬采取向刀盤面和土倉內(nèi)注入泡沫來改良碴土。泡沫注入量根據(jù)具體情況確定。在塊狀結(jié)構(gòu)地層中掘進(jìn)時(shí)，由于掘進(jìn)對地層的擾動，不易形成連續(xù)的土壓，為此采取向刀盤面、土倉和螺旋輸送機(jī)內(nèi)注入泡沫和濃度高的膨潤土泥漿來改良碴土，維持土倉內(nèi)土壓平衡。

（2）防泥餅措施。

盾構(gòu)主要穿越的地層有黃土、砂層、古土壤和粉質(zhì)粘土等，而由于盾構(gòu)機(jī)刀盤自身的制約，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)可能會在刀盤尤其是中心區(qū)部位產(chǎn)生泥餅，當(dāng)產(chǎn)生泥餅后，掘進(jìn)速度急劇下降，刀盤扭矩也會上升，大大降低開挖效率，甚至無法掘進(jìn)。所以施工中應(yīng)加強(qiáng)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的地質(zhì)預(yù)測和泥土管理，特別是在粘性土中掘進(jìn)時(shí)，更加密切注意開挖面的地質(zhì)情況和刀盤的工作狀態(tài)。必要時(shí)增加刀盤前部中心部位泡沫注入量和選擇比較大的泡沫注入比例，減少碴土的粘附性，降低泥餅產(chǎn)生的幾率。必要時(shí)螺旋輸送機(jī)內(nèi)也要加入泡沫，以增加碴土的流動性，利于碴土的排出。必要時(shí)采用人工進(jìn)倉處理的方式清除泥餅。

（3）防涌水、涌砂和坍塌措施。

在砂層及粉質(zhì)粘土層掘進(jìn)時(shí)，刀盤所受扭矩及推力大大增加，此時(shí)盾構(gòu)掌子面土體很不穩(wěn)定，易發(fā)生涌水、涌砂，坍塌等情況。在砂層中施工時(shí)，由于砂層中空隙較大，同步注漿壓注量比一般土層要多，注漿效果以注漿壓力為管控手段。砂層土體含水量大，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)碴土和易性較差，掌子面土壓平衡模式難以控制，一般采用刀盤正面和土倉內(nèi)加注泡沫或膨潤土改善土體的塑流性，同時(shí)泡沫劑或膨潤土的加入有助于降低刀具與開挖面之間的摩擦。在穿越砂層時(shí)，為使泡沫達(dá)到理想效果，泡沫注入壓力設(shè)定為比土壓力稍大一些。同時(shí)保證盾構(gòu)連續(xù)施工，快速通過。對于盾構(gòu)推進(jìn)過程中的防涌水、涌砂控制，主要采取壓注膨潤土漿液、及時(shí)同步注漿以及加強(qiáng)預(yù)測預(yù)報(bào)等方法，快速均勻地穿過富水砂層。

5.4 盾構(gòu)隧道注漿施工方法及技術(shù)措施。

（1）由于開挖直徑與管片外徑的差異，當(dāng)管片脫離盾尾后，在土體與管片之間有一道環(huán)型空隙。同步注漿的目的是為了盡快填充環(huán)形間隙，使管片盡早支撐地層，防止地面變形過大而危及周圍環(huán)境安全，同時(shí)加強(qiáng)管片外防水并使隧道整體受力。在同步注漿結(jié)束，隧道成形后若發(fā)現(xiàn)地面沉降仍有加大的趨勢，或局部地層較軟、同步注漿量不足時(shí)，可通過管片中部的注漿孔進(jìn)行二次注漿，二次注漿還可起到加強(qiáng)堵水的作用。

（2）根據(jù)盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)選擇同步注漿砂漿的配比。結(jié)合地層條件、地下水情況及周邊條件等，通過現(xiàn)場試驗(yàn)對配比進(jìn)行優(yōu)化確定。

5.4.1 注漿時(shí)間和速度。

在不同的地層中根據(jù)不同凝結(jié)時(shí)間的漿液及掘進(jìn)速度來具體控制注漿時(shí)間的長短。做到“掘進(jìn)、注漿始終同步，不注漿、不掘進(jìn)”，通過控制同步注漿壓力和注漿量雙重標(biāo)準(zhǔn)來確定注漿時(shí)間。同步注漿速度與掘進(jìn)速度匹配，按盾構(gòu)完成一環(huán)掘進(jìn)的時(shí)間內(nèi)完成當(dāng)環(huán)注漿量來確定其平均注漿速度。

5.4.2 注漿壓力、注漿量。

（1）注漿壓力。

注漿壓力略大于該地層位置的靜止水土壓力，同時(shí)避免漿液進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)的土倉中。

最初的注漿壓力是根據(jù)理論的靜止水土壓力確定的，在實(shí)際掘進(jìn)中將不斷優(yōu)化。一般而言，注漿壓力取1.1～1.2倍的靜止水土壓力，最大不超過3.0～4.0bar。

由于從盾尾圓周上的四個(gè)點(diǎn)同時(shí)注漿，考慮到水土壓力的差別和防止管片大幅度下沉和浮起的需要，各點(diǎn)的注漿壓力將不同，并保持合適的壓差，以達(dá)到最佳效果。在最初的壓力設(shè)定時(shí)，下部每孔的壓力比上部每孔的壓力略大0.5～1.0bar。

（2）注漿量。

建筑空隙填充體積理論上控制在135%～170%之間，即每環(huán)管片注漿量約在5.5～6.9m3之間。施工過程中，還需根據(jù)實(shí)際注漿情況積累數(shù)據(jù)，隨時(shí)對注漿量加以調(diào)整。

5.4.3 二次注漿。

考慮到環(huán)境保護(hù)和隧道穩(wěn)定因素，盾構(gòu)機(jī)穿越后一段時(shí)間內(nèi)，仍需對地面沉降及隧道變形情況進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，如沉降和變形接近控制預(yù)警值，則說明同步注漿有不足的地方。應(yīng)通過管片中部的注漿孔進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿，補(bǔ)充同步注漿未填充部分和體積減少部分，從而減少盾構(gòu)機(jī)通過后土體的后期沉降，減輕隧道的防水壓力。同時(shí)對盾構(gòu)推力導(dǎo)致的漿液與管片、圍巖之間產(chǎn)生的剝離狀態(tài)進(jìn)行填充并使其一體化，提高止水效果。

5.5 盾構(gòu)隧道防水施工方案及技術(shù)措施。

本標(biāo)段盾構(gòu)法區(qū)間隧道防水等級為二級，結(jié)構(gòu)不允許漏水，結(jié)構(gòu)表面可有少量的濕漬。

盾構(gòu)區(qū)間防水工作以采用高精度管片為前提，混凝土自身防水為根本，管片接縫防水，區(qū)間隧道與工作井、聯(lián)絡(luò)通道接頭防水為重點(diǎn)，確保區(qū)間隧道整體防水性能。

5.5.1 管片結(jié)構(gòu)自防水。

為達(dá)到管片混凝土的自防水，管片混凝土采用高抗?jié)B高強(qiáng)度C50等級的混凝土，抗?jié)B等級為P10，同時(shí)嚴(yán)格控制混凝土的密實(shí)度、抗裂性和制作精度。嚴(yán)格控制施工過程中的各種變形。

圖2 管片接縫防水示意圖

5.5.2 管片接縫防水。

為防止管片的接縫部位漏水，在管片外側(cè)設(shè)置彈性密封墊，采用多孔型三元乙丙彈性橡膠止水條并在表面采用復(fù)合遇水膨脹橡膠，在千斤頂推力和螺栓擰緊力的作用下，管片間的三元乙丙彈性橡膠止水條的縫隙被壓縮，起到防水的作用。

施工過程中加強(qiáng)施工監(jiān)測，提高盾構(gòu)掘進(jìn)質(zhì)量，減少隧道軸線的偏差和糾偏力度，給管片安裝創(chuàng)造良好的前提。加強(qiáng)管片拼裝施工管理，提高拼裝質(zhì)量，進(jìn)一步提高對接縫部位的防水效果。注意提高背后壓漿質(zhì)量，減少管片沉降，有利于長遠(yuǎn)防水。圖2為管片接縫防水示意圖。

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[基金項(xiàng)目]陜西省教育廳基金資助項(xiàng)目（17JK0370）

[文章編號]1619-2737（2018）01-18-636

[作者簡介] 鄭愛武（1968-），女，籍貫：陜西西安人，職稱：副教授，主要從事土木工程的研究和應(yīng)用。